切花小菊花粉败育蛋白质组学及无花粉菊花种质创新研究

摘要

切花菊是菊花（Chrysanthemum morifolium）的一种重要栽培类型，可分为单头型切花大菊和多头型切花小菊，其中切花小菊由于具有分枝多，花型花色丰富、着花繁密、花期长等特点，近年来已成为切花市场的重要组成部分。然而，切花小菊开放中大量散粉不仅降低其观赏价值、缩短其观赏寿命，而且会对花粉过敏者健康造成负面影响。培育不散粉或散粉少切花小菊新品种，将是有效解决切花小菊大量散粉引起不利影响的根本途径。为此，本研究选用由于花粉败育而不散粉切花小菊品种‘Kingfisher’和正常散粉品种‘南农红橙’为实验材料，利用石蜡切片和透射电镜等细胞生物学技术，比较2个品种小孢子发生与花粉发育过程中细胞组织的结构与形态，以期找到‘Kingfisher’花粉败育关键时期和花粉败育时的细胞组织特征。在此基础上，利用基于iTRAQ的蛋白质组学技术研究了‘Kingfisher’花粉败育关键时期前后蛋白质的表达变化，试图找到影响花粉败育的关键蛋白。此外，以‘Kingfisher’为母本，3种散粉量不同的切花小菊品种‘Noa’、‘Qx-010’、‘14-15’为父本开展人工杂交进行不散粉菊花种质创新和散粉特性的遗传规律研究。本研究不仅将有助于阐明菊花花粉败育机理，而且将为培育散粉少和不散粉切花小菊新品种提供重要理论参考和中间育种材料。主要研究结果及结论如下:
　　(1)‘Kingfisher’花粉发育过程中，花粉母细胞形成到四分体时期，花粉发育是正常的，但之后小孢子不能正常的从四分体中释放出来继续发育成花粉粒，而是在四分体中逐渐降解，最后花药空囊。此外，‘南农红橙’四分体时期，绒毡层细胞胞质浓缩，且在小孢子早期之后才开始降解;而‘Kingfisher’绒毡层细胞在四分体时期处于降解中，细胞呈厚带状挤压药室、胞质弥散不浓缩、无明显的细胞壁。绒毡层提前降解将无法为小孢子的发育提供营养物质，也不能分泌胼胝质酶降解包裹四分体的胼胝质，使得小孢子无法从四分体中释放出来而败育。以上结果表明，四分体小孢子时期是‘Kingfisher’花粉败育的关键时期，花粉败育主要是绒毡层提前降解所致。
　　(2)利用iTRAQ-串联质谱技术技术获得差异蛋白63种，其中‘Kingfisher’四分体时期与花粉母细胞时期的差异蛋白有59种，上调的有29种，下调的有30种;花粉败育后与四分体时期的差异蛋白有39种，上调的有23种，下调的有16种。对差异蛋白进行功能性分类，结果表明，大部分的差异蛋白，功能主要集中在能量物质的合成过程和代谢过程中，通过引起代谢异常、物质合成受阻、能量短缺而导致花粉败育。其中，从花粉母细胞时期到四分体时期，在表达量显著上调的蛋白里我们发现4种与细胞凋亡相关的蛋白，分别是泛素结合酶家族蛋白、13-3-3样蛋白D、半胱氨酸蛋白酶和26S蛋白酶体调节亚基7;而四分体时期到花粉败育后，发现S-腺苷-L-高半胱氨酸水解酶、40S核糖体蛋白S9、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶1等与蛋白质合成、分解代谢相关的蛋白表达量显著下调。以上结果表明，泛素结合酶家族蛋白、13-3-3样蛋白D、半胱氨酸蛋白酶和26S蛋白酶体调节亚基7这4种细胞凋亡相关蛋白的过量表达可能是导致四分体时期绒粘层提前降解的主要原因。
　　(3)3个父本中‘Noa’的花粉量最少，以其作父本得到的7个F1代株系的平均花粉量最少，花药含粉量在0～455粒之间，平均为184.3±79.7粒（占父本47.1％），其中有2个F1代株系(‘Noa-1’、‘Noa-4’)花药没有花粉;‘14-15’的花粉量最多，其F1代株系的平均花粉量最多，很多株系的花粉呈大团状，花药含粉量在0～720粒之间，平均为441.0±53.8粒（占父本71.0％），但F1代株系‘14-15-1’花药没有花粉;‘Qx-010’的花粉量中等，其F1代的花粉量也适中，花药含粉量在60～455粒之间，平均为328.75±92.4粒（占父本69.2％）。以上结果表明，F1代花药含粉量主要与父本有关;3个无花粉F1代株系‘Noa-1’、‘Noa-4’和‘14-15-1’将为培育无花粉菊花新品种提供重要育种材料。

目录

声明

摘要

引言

第一章 文献综述

1 植物花粉败育现象普遍存在

2 植物花粉败育的意义

2．1 生产实践

2．2 育种

2．3 品种改良

3 植物花粉败育的机理

3．1 植物花粉败育的细胞机理

3．2 植物花粉败育的分子机理

4 本研究的意义

第二章 切花小菊花粉败育的细胞机理研究

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 试验方法

2 结果与分析

2．1 ‘Kingfisher’花粉发育过程

2．2 ‘Kingfisher’花粉败育时花药组织细胞结构特征

3 讨论

第三章 切花小菊花粉败育的蛋白质组学研究

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 方法

2 结果与分析

2．1 差异蛋白鉴定

2．2 差异蛋白功能分类

3 讨论

3．1 温度敏感类

3．2 细胞凋亡类

3．3 能量供应类

3．4 光合作用相关类

3．5 蛋白质生物合成类

3．6 代谢相关类

3．7 其他类蛋白

第四章 无花粉切花小菊种质创新研究

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 实验方法

2 结果与分析

2．1 杂交结果的分析

2．2 父母本及杂交后代的散粉特性评价

3 讨论

全文结论和创新之处

参考文献

附录

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致谢